Загадочный случай случайной утечки тока

Отказ от ответственности: я уже знаю решение этой головоломки отладки схем (и это не тривиально), и я опубликую его через некоторое время, чтобы другие люди могли внести свой вклад в эту загадочную историю! Я думаю, что это может иметь некоторую образовательную ценность для конструкторов схем!

Несколько лет назад (~ 8, IIRC) я наткнулся на очень интересное специальное предложение в местном универсальном магазине: несколько очень хороших (как мне показалось) светодиодных осветительных приборов Osram DOT-IT за полцены.

Как видите, это были небольшие приборы, работающие от трех батареек типа ААА и трех очень ярких белых светодиодов. Все это было включено с помощью мягкого переключателя, приводимого в действие нажатием прозрачного купола. При первом нажатии включаются три светодиода, а при каждом последующем нажатии один из светодиодов выключается. Таким образом, вы можете выбрать количество света, которое будет излучать прибор. Внешний корпус, кроме прозрачного пластикового купола, был из очень прочного анодированного алюминия, а задняя крышка - из пластика с сильным магнитом, что позволяло прикрепить его к холодильнику, автомобильному кузову или любой другой подходящей металлической поверхности.

Поскольку в то время здесь, в Италии, светодиодное освещение было очень дорогим, а маленькие гаджеты, такие как чудовищно дорогие или совершенно дрянные, я подумал, что это очень хорошая идея - купить дюжину из них (сначала я попробовал только с одним устройством, и я проверил, он сделал очень сильный свет и был очень высокого качества). Я намеревался использовать их в качестве аварийного освещения в каждой комнате моего дома и в моей машине.

Все было хорошо, пока через 6 месяцев не произошло короткое отключение. К моему большому разочарованию, у 10 из 12 батарей были разряжены батареи!

Конечно, моей первой мыслью было «дрянное негерметичное мягкое переключение», и я побежал за своим микроамперметром! Фактически я обнаружил пару устройств, которые имели чрезмерно высокие токи утечки (~ 1 мА), но у других были довольно честные ~ 20 мкА. Я был озадачен.

Я заменил все батарейки на батарейки с малой утечкой и решил попробовать еще раз.

Через пару месяцев, к удивлению, они снова провалились! Я снова измерил утечку и получил другие результаты. Некоторые устройства имели ужасную утечку ~ 1 мА, тогда как другие были "нормальными". Кроме того, я перепроверил два устройства, которые первоначально показали высокую утечку и ... они больше не протекали !!!

Я был сыт по горло, и так как у меня не было больше времени, чтобы тратить впустую на проблему тогда, я сломал их все, поместил их в мусорную коробку (в конце концов, у них было три хороших и дорогих белых светодиода в них, и я планировал спасти их) и забыл о них.

Я нашел их снова пару недель назад, и в безумии реорганизации я подумал о том, чтобы демонтировать блоки и спасти светодиоды. Итак, я обнаружил, что внутренняя схема представляла собой крошечную печатную плату, содержащую только мгновенный переключатель, светодиоды, микросхему драйвера и крышку. Печатная плата показана на фотографиях ниже (для любопытства я попытался найти таблицу данных для этого чипа драйвера, но безуспешно).

Я снова протестировал печатные платы, просто для удовольствия, и у меня все еще наблюдалась непредсказуемая утечка, которую я наблюдал ранее, но в процессе я наконец обнаружил виновника.

Угадай, что послужило причиной этой случайной и ошибочной утечки!

Я подозреваю, что что-то связано с сильным магнитом (я бы не подозревал об этом, за исключением того, что это должен быть интересный ответ, иначе вы бы не задали вопрос). Возможно, наличие магнитного поля наводит ток в петле где-то. Была ли утечка выше, когда между проводами, соединяющими батарею, было больше места? Или это может быть ток в каком-то другом цикле.

Вот краткое изложение моих исследований и моих выводов о загадочном случае случайного тока утечки.

Когда я начал демонтировать подразделения, мне также стало любопытно, и я хотел найти рациональную причину такого странного поведения. Мне не повезло, пока я почти случайно не подвинул магнит к включенной печатной плате. Амперметр подскочил примерно до 2 мА и стабилизировался при чуть более низком значении.

Сначала я подумал, что это всего лишь механический эффект из-за моей работы с печатной платой, но после многократных испытаний я убедился, что существует четкая корреляция между перемещением магнита рядом с печатной платой и наличием такого рода «защелки».

Это был не точный огонь, потому что он неясным образом зависел от ориентации магнита и направления движения, а также от скорости, с которой я двигал магнит.

Я не мог оценить реальный механизм, но причина была ясна. Взаимодействие печатной платы (и, скорее всего, микросхемы драйвера) с движущимся магнитом.

Я также убедился, что защелка может произойти при перемещении собранного устройства рядом с массивным ферромагнитным корпусом, например, при установке устройства в холодильник. Но явление в этом случае было менее повторяемым и более хаотичным.

Вариантов, которые пришли мне в голову, было, очевидно, два:

• индуцированный ток, создаваемый изменением магнитного потока, связанного с некоторой петлей
• Эффект Холла, нарушающий нормальное поведение некоторых полупроводниковых компонентов внутри чипа драйвера

Я не могу точно сказать, кто является настоящим преступником между этими двумя. Я оставляю окончательное решение экспертам по EE.SE, которые более осведомлены, чем я, по таким темам.

Я не могу быть уверен, но подозреваю, что тот, кто отвечал за тестирование прототипа, не проводил надлежащего тестирования, когда магнит был на месте. На самом деле магнит не был встроен в заднюю крышку блоков, но был предоставлен в качестве дополнения в упаковке. У вас была возможность наклеить его на заднюю крышку, так как одна сторона магнита была клейкой.

Надеюсь, вам понравился этот маленький дразнилка, смутно вдохновленная романами сэра Артура Конан-Дойля.

Этот вид симптомов пахнет отсутствующим понижающим (или подтягивающим, в зависимости от топологии) резистором на затворе FET. Все в порядке, если система включается без переходного процесса запуска, активирующего FET. Если это успешно, все хорошо. Если нет, система переходит в какое-то странное состояние, в котором удается провести ток.

Я заметил, что это односторонняя плата. Это означает, что выводы сквозных отверстий удерживаются мениском припоя только на одной стороне платы, а не внутри отверстия с гальваническим покрытием и с обеих сторон, как на двухслойной плате. После достаточного механического напряжения или термоциклирования такие паяные соединения могут становиться шелушащимися. Это может быть очень трудно увидеть, даже с ювелирной лупой. Я лично видел, как такая плата выходила из строя по-видимому случайным образом, и визуальный осмотр не выявил проблемы, хотя я искал плохие паяные соединения. Переплавка каждого соединения и добавление дополнительного припоя исправили проблему.

Другой причиной таких симптомов является то, что кнопка нажата все время. Тем не менее, я полагаю, что это не тот случай, потому что тогда свет не сработал бы с самого начала. Такая кнопка имеет положительное ощущение нажатия. Единственная причина, по которой эта проблема может возникнуть в ваших обстоятельствах, - это если кнопка сработала правильно в течение первых трех нажатий, а затем застряла на щелчке, который выключил свет. Вряд ли так много юнитов будет работать нормально за три клика, тогда все застрянут на четвертом, поэтому я не думаю, что это проблема.

Я могу вспомнить сценарии, в которых плохо спроектированная схема может защелкнуться в непредусмотренном состоянии, когда источник питания будет зависать и отскакивать при установке батарей, возможно, в зависимости от того, была ли кнопка нажата или нет в данный момент. Тем не менее, все эти сценарии немедленно вывели бы устройство из строя. Я предполагаю, что вы проверили каждое устройство, по крайней мере, за один цикл ВКЛ-ВЫКЛ, прежде чем объявить его готовым и прикрепить его к стене или как угодно.